《新型二維層狀材料的拓撲量子態研究》是依託北京理工大學，由劉鋮鋮擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：新型二維層狀材料的拓撲量子態研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：劉鋮鋮
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
新型二維層狀材料（石墨烯、矽烯等）和能帶結構非平庸的體系（Chern絕緣體、Z2拓撲絕緣體以及拓撲超導體等）是當前凝聚態領域的兩大熱點。二維體系如石墨烯、矽烯因具有Dirac電子行為以及優異的物理性能等而倍受關注。拓撲量子態在自旋電子學以及拓撲量子計算有著潛在的重要套用。本項目旨在如何最大限度地結合新型二維材料以及拓撲量子態的優勢，即在二維材料體系中找到以及設計出環境友好且易實現上述拓撲量子態的具體物理途徑和材料體系。具體如下：研究如何在二維層狀材料中找到或設計出具有大的體能隙的Chern絕緣體、Z2拓撲絕緣體和具有較高Tc的拓撲超導體；研究如何有效的利用電場、磁場、光場、應力（贗磁場）、化學修飾、缺陷以及量子限域等手段調控上述拓撲量子態的電子性質和輸運性質；探討引入相互作用，考慮關聯效應對這些拓撲量子態的影響。上述研究將為低耗散的量子器件以及容錯的拓撲量子計算提供候選材料和理論指導。
結題摘要
對拓撲絕緣體、拓撲半金屬和拓撲超導體等拓撲量子態的研究不僅可以加深人們對物質量子態本質的認識，而且這些拓撲量子態在高可靠性、低耗散的電子器件以及容錯的拓撲量子計算中具有重要的潛在套用。另一方面，二維晶格材料以及由此作為構建單元並通過范德瓦爾斯(van der Waals) 力結合形成的三維層狀材料由於具有優異的電學、光學、力學和熱學等性質，引起了廣泛的關注，成為凝聚態領域的明星材料。本項目圍繞著二維材料以及層狀材料的拓撲量子態的研究展開，在自然科學基金和青年基金的有力支持下，取得了以下三個方面的研究成果：(1) 新型二維拓撲絕緣體材料的研究。我們預言了BiCN是一種新型大帶隙的拓撲絕緣體（～1eV），並提出MoS2和h-BN可作為其理想襯底；我們研究了外加電場和應變對錫烯體態的拓撲物性的調控，以及邊緣磁性和橫向電場對其納米帶邊緣態的影響；我們還研究了由矽烯、鍺烯、錫烯和h-BN組成的兩種垂直型異質結的新奇物性。發現將這兩種異質結組合拼接,可以形成兩種不同的疇壁：一種具有谷極化的量子自旋霍爾態，另一種具有高陳數的谷極化的界面態；此外，我們還發現在半氫化的Bi膜中通過外磁場調節磁化取向可以得到能谷極化的量子反常霍爾相。(2) 我們提出弱拓撲絕緣體可以在范德瓦爾斯材料－β-Bi4X4(X=Br, I)中實現並可以容易地被實驗驗證。我們發現在單軸應變下體系會發生拓撲相變，可以得到強拓撲絕緣體或者普通絕緣體。在從弱拓撲絕緣體到強拓撲絕緣體轉變的同時如果破缺體系空間反演對稱性，會出現一個全新的Weyl半金屬相，即在兩個解理面上都會出現費米弧，但只在(100)解理面出現費米環，我們稱之為複合Weyl半金屬。(3) 對量子自旋霍爾絕緣體家族中BiH體系進行n型摻雜，並考慮了包含軌道內和軌道間的庫倫相互作用以及Hund耦合的電子之間的關聯，我們通過平均場分析，預言該體系是一種時間反演不變的拓撲超導體，其主導的配對形式為(p+ip)↑↑和(p-ip)↓↓。
